CN117263632B - 一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土及其制备方法，混凝土由固体预拌料和液体添加料组成；固体预拌料按质量份由以下组分组成：矿渣粉780‑810份、氧化钙39‑43份、甲酸钙25‑30份、硅粉310‑340份、改性二氧化硅颗粒90‑100份、石英砂610‑620份、石英粉180‑190份、纤维75‑82份；液体添加料按质量份由以下组分组成：拌合水148‑152份、减水剂50‑53份、石墨烯纳米片溶液1.8‑2.2份。本发明提出的超高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能和孔隙结构，是一种低碳绿色的超高性能混凝土，且能通过预制的方式用于商品混凝土行业中，对地聚物混凝土的推广具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备的技术领域，尤其涉及一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
相比于普通混凝土，超高性能混凝土（UHPC）具有优异的力学性能、韧性和耐久性，被认为是最有可能实现弹性结构的建筑材料之一，目前越来越多地应用于隧道、高层建筑和桥梁等各类工程。UHPC是一种抗压强度大于150MPa且延性良好的混凝土。为了实现UHPC的性能，UHPC配合比具有低水胶比、高水泥用量和高颗粒堆积密度的特点。通常而言，UHPC的水泥用量为900-1000kg/m3，接近于普通混凝土水泥用量的三倍，这意味着制备UHPC会排放大量的二氧化碳。因此，制备低水泥或无水泥的UHPC对于降低水泥碳排放量至关重要。
为了降低水泥用量，国内外研究人员采用矿物掺合料或固体废弃物部分替代水泥，例如矿渣粉、钢渣粉、粉煤灰和稻壳灰等，然而，过高的替代量会导致混凝土抗压强度下降，不利于达到UHPC的超高性能要求。此外，采用硅铝原料与碱性激发液混合的方式也能配制出满足强度要求的UHPC，例如公告号为CN107265937B的发明专利使用偏高岭土、研磨粒状高炉矿渣、粗骨料、填充剂（细颗粒）、纤维以及碱性激发液等材料制备出地质聚合物超高性能混凝土；公告号为CN113773028B的发明专利使用矿粉120-140份、粉煤灰40-50份、硅灰20-30份、细骨料210-230份、碱激发剂80-90份和复合减缩剂90-170份配制出抗压强度超高150MPa的地聚物混凝土，其中碱激发剂含有强碱。上述专利使用的碱性激发液pH值高、成本高，易导致操作者烧伤或呼吸问题，这也是当前大多数地质聚合物混凝土的共同缺陷，严重阻碍了地质聚合物混凝土的推广与广泛使用。此外，当前大多数关于地质聚合物混凝土的配制方法（例如公告号为CN115403321B、CN114315252B的发明专利）只能配制出中低强度的混凝土，关于超高性能地质聚合物混凝土的研究仍旧十分有限。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土及其制备方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，由固体预拌料和液体添加料组成；
固体预拌料按质量份由以下组分组成：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-190份、纤维75-82份；
液体添加料按质量份由以下组分组成：拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份。
所述矿渣粉为S95或S105级矿渣粉；所述硅粉的比表面积不小于1800 m2/kg；所述氧化钙的规格为分析纯，其性状为白色粉末；所述甲酸钙为白色粉末；所述石英砂的粒径分布范围为0.15-2.35mm；所述石英粉为白色粉末，其粒径范围为90-120μm；所述纤维为镀铜钢纤维，直径为0.15-0.25mm，长度为10-20mm，抗拉强度不低于1900MPa。
所述改性二氧化硅颗粒通过对二氧化硅颗粒进行改性得到，其中二氧化硅颗粒的比表面积为16000-17000 m2/kg。
所述改性二氧化硅颗粒的制备方法如下：
S1、在1000ml去离子水中加入20g十六烷基三甲氧基硅烷，将溶液加热至85℃，将加热后的溶液倒入搅拌机中搅拌3-5min，得到A溶液；
S2、将700-800g二氧化硅颗粒加入到A溶液中，持续搅拌15-20min，然后放置30-35min，得到B溶液；
S3、使用过滤网收集B溶液中的二氧化硅颗粒，并将收集到的二氧化硅颗粒在110℃条件下干燥23-25h，得到改性二氧化硅颗粒。
所述石墨烯纳米片溶液的制备方法如下：
将9 g石墨烯纳米片溶于450ml水中，并用搅拌机在水中搅拌4-5min，然后使用超声波探头对溶液进行20-22min的超声波处理，得到石墨烯纳米片溶液。
上述的无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法，具体步骤为：
P1、按质量份称取固体预拌料和液体添加料的原料成分：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-200份、纤维75-82份、拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份；
P2、将固体预拌料的原料成分加入到搅拌机中混合均匀，搅拌时长为5-6min，得到固体预拌料；
P3、将液体添加料的原料成分倒入到容器中混合均匀，搅拌时长为2-3min，得到液体添加料；
P4、在混合均匀的固体预拌料中加入混合后的液体添加料，继续搅拌，搅拌时长为15-20分钟，得到新拌混凝土；
P5、将得到的新拌混凝土倒入模具中进行固化养护，在温度为23℃和湿度为99%的条件下固化24h；脱模后，在95℃下蒸汽养护48h，即可得到固化的超高性能混凝土。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1、相比于传统的超高性能混凝土，本发明制备超高性能混凝土的原材料不需要使用水泥，可有效降低制备混凝土的碳排放，实现超高性能混凝土的绿色制备与可持续性；
2、相比于传统的地聚物混凝土，本发明制备的超高性能混凝土的原材料不需使用液体碱性激发剂，安全性高，对人体无害，方便操作，有效解决地聚物混凝土不利于操作的缺陷；
3、本发明通过在超高性能混凝土添加改性二氧化硅颗粒和石墨烯纳米片，有效增强超高性能混凝土的力学性能和耐久性；
4、本发明在短时间便可达到超高的力学性能，缩短了养护时间，其最高抗压强度可达200MPa以上；
5、本发明所有固体原材料可预拌成固体混合料，实现了超高性能混凝土的产品化，具有可观的经济效益。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，由固体预拌料和液体添加料组成；
固体预拌料按质量份由以下组分组成：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-190份、纤维75-82份；
液体添加料按质量份由以下组分组成：拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份。
所述矿渣粉为S95或S105级矿渣粉；所述硅粉的比表面积不小于1800 m2/kg；所述氧化钙的规格为分析纯，其性状为白色粉末；所述甲酸钙为白色粉末；所述石英砂的粒径分布范围为0.15-2.35mm；所述石英粉为白色粉末，其粒径范围为90-120μm；所述纤维为镀铜钢纤维，直径为0.15-0.25mm，长度为10-20mm，抗拉强度不低于1900MPa。
所述改性二氧化硅颗粒通过对二氧化硅颗粒进行改性得到，其中二氧化硅颗粒的比表面积为16000-17000 m2/kg。
上述的无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法，具体步骤为：
P1、按质量份称取固体预拌料和液体添加料的原料成分：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-200份、纤维75-82份、拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份；
P2、将固体预拌料的原料成分加入到搅拌机中混合均匀，搅拌时长为5-6min，得到固体预拌料；
P3、将液体添加料的原料成分倒入到容器中混合均匀，搅拌时长为2-3min，得到液体添加料；
P4、在混合均匀的固体预拌料中加入混合后的液体添加料，继续搅拌，搅拌时长为15-20分钟，得到新拌混凝土；
P5、将得到的新拌混凝土倒入模具中进行固化养护，在温度为23℃和湿度为99%的条件下固化24h；脱模后，在95℃下蒸汽养护48h，即可得到固化的超高性能混凝土。
在介绍具体实施例前，对本发明中所用到的部分材料情况简要介绍如下。
矿渣粉为粒化高炉矿渣，等级为S95级，其表观密度为2860 kg/m3，比表面积为455m2/kg；氧化钙的规格为分析纯，其性状为白色粉末；甲酸钙为白色粉末，甲酸钙含量大于98%；硅粉的比表面积为1935m2/kg，为浅灰色；二氧化硅颗粒的颜色为白色，其比表面积为16900 m2/kg；石英砂的粒径分布范围为0.15-2.35mm；石英粉为白色粉末，其粒径范围为90-120μm；纤维为镀铜钢纤维，其直径为0.25mm，长度为16mm；减水剂为高效萘系减水剂，是一种棕褐色的粘稠液体，固含量为40%，表观密度为1210 kg/m3；石墨烯纳米片为黑色粉末，有效成分含量大于96%。
表1给出了矿渣粉、硅粉和二氧化硅颗粒的化学成分组成。
表1 硅粉与矿渣粉的化学成分组成
在配制超高性能混凝土前，先对二氧化硅颗粒和石墨烯纳米片进行一系列处理。
对二氧化硅颗粒进行改性，改性二氧化硅颗粒的制备方法如下：S1、在1000ml去离子水中加入20g十六烷基三甲氧基硅烷，将溶液加热至85℃，将加热后的溶液倒入搅拌机中搅拌3-5min，得到A溶液；
S2、将700-800g二氧化硅颗粒加入到A溶液中，持续搅拌15-20min，然后放置30-35min，得到B溶液；
S3、使用过滤网收集B溶液中的二氧化硅颗粒，并将收集到的二氧化硅颗粒在110℃条件下干燥23-25h，得到改性二氧化硅颗粒。
石墨烯纳米片溶液的制备方法如下：将9 g石墨烯纳米片溶于450ml水中，并用搅拌机在水中搅拌4-5min，然后使用超声波探头对溶液进行20-22min的超声波处理，得到石墨烯纳米片溶液。
具体实施例1：
一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土包括固体预拌料和液体添加料两部分组成。固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉780份、氧化钙39份、甲酸钙25份、硅粉340份、改性二氧化硅颗粒90份、石英砂610份、石英粉190份、纤维75份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水148份、减水剂50份、石墨烯纳米片溶液1.8份。
本发明还提供了一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
（1）按质量份称取固体预拌料和液体添加料的原料成分：矿渣粉780份、氧化钙39份、甲酸钙25份、硅粉340份、改性二氧化硅颗粒90份、石英砂610份、石英粉190份、纤维75份、拌合水148份、减水剂50份、石墨烯纳米片溶液1.8份；
（2）将固体预拌料的原料成分加入到搅拌机中混合均匀，搅拌时长为5min，得到固体预拌料；
（3）将液体添加料的原料成分倒入到容器中混合均匀，搅拌时长为2min，得到液体添加料；
（4）在混合均匀的固体预拌料中加入混合后的液体添加料，继续搅拌，搅拌时长为15分钟，得到新拌混凝土；
（5）将得到的新拌混凝土倒入模具中进行固化养护，在温度为23℃和湿度为99%的条件下固化24h；脱模后，在95℃下蒸汽养护48h，即可得到固化的超高性能混凝土。
具体实施例2：
一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土包括固体预拌料和液体添加料两部分组成。固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉795份、氧化钙41份、甲酸钙28份、硅粉325份、改性二氧化硅颗粒95份、石英砂620份、石英粉190份、纤维78份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水150份、减水剂52份、石墨烯纳米片溶液2份。
所述无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法与具体实施例1相同。
具体实施例3：
一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土包括固体预拌料和液体添加料两部分组成。固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉810份、氧化钙43份、甲酸钙30份、硅粉310份、改性二氧化硅颗粒100份、石英砂620份、石英粉180份、纤维82份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水152份、减水剂53份、石墨烯纳米片溶液2.2份。
所述无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法与具体实施例1相同。
对比例1：
相比于具体实施例1，对比例1中没有添加改性二氧化硅颗粒。
固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉780份、氧化钙39份、甲酸钙25份、硅粉430份、石英砂610份、石英粉190份、纤维75份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水148份、减水剂50份、石墨烯纳米片溶液1.8份。
制备方法与具体实施例1相同。
对比例2：
相比于具体实施例1，对比例2中没有添加石墨烯纳米片溶液。
固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉780份、氧化钙39份、甲酸钙25份、硅粉340份、改性二氧化硅颗粒90份、石英砂610份、石英粉190份、纤维75份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水150份、减水剂50份。
制备方法与具体实施例1相同。
对比例3：
相比于具体实施例1，对比例3中没有添加甲酸钙。
固体预拌料按质量份包括以下组分：矿渣粉780份、氧化钙39份、硅粉340份、改性二氧化硅颗粒90份、石英砂610份、石英粉190份、纤维75份。液体添加料按质量份包括以下组分：拌合水148份、减水剂50份、石墨烯纳米片溶液1.8份。
制备方法与实施例1相同。
表2给出了具体实施例1-3和对比例1-3中原材料的用量。
表2 具体实施例1-3和对比例1-3中原材料的用量
根据标准GB/T 2419-2005、GB/T 50081-2019分别测试具体实施例1-3和对比例1-3中混凝土的流动度、抗压强度、拉伸强度，并用压汞法测试了具体实施例1-3和对比例1-3中混凝土的孔隙分布，大孔、毛细孔和凝胶孔对应的孔径范围分别为大于5μm、0.01-5μm和小于0.01μm，测试结果见表3。
表3具体实施例1-3和对比例1-3中混凝土的性能
通过比较表3中具体实施例1-3与对比例1-3之间的性能结果可以发现，具体实施例1-3中超高性能混凝土具有良好的流动性能和力学性能，且孔隙率低，间接能够反映出超高混凝土的良好耐久性。具体实施例1-3中超高性能混凝土良好的流动性能一方面是因为添加了减水剂，另外，改性二氧化硅颗粒能够减小颗粒之间摩阻力和混凝土的粘度，从而进一步增加混凝土的流动性。石墨烯纳米片溶液能够改善混凝土的微观结构，因此，具体实施例1-3中超高性能混凝土表现出187-202MPa的抗压强度和12.1-13.1MPa的拉伸强度，且孔隙率明显低于对比例1-2中混凝土的孔隙率。相比于对比例1，具体实施例1中超高性能混凝土具有更加良好的流动度，而其他性能均相近，说明改性二氧化硅颗粒能够改善超高性能混凝土的流动性能。相比于对比例2，具体实施例1中超高性能混凝土的流动性能稍微变差，但力学性能和孔隙结构均得到了显著改善，说明适量石墨烯纳米片溶液能够增强超高性能混凝土的力学性能，并改善其微观结构。具体实施例1中超高性能混凝土的抗压强度和拉伸强度明显高于对比例3中混凝土，且具有更低的孔隙率，说明甲酸钙对于促进超高性能混凝土强度增长起着至关重要的作用。
综上所述，通过比较具体实施例1-3与对比例1-3之间的性能结果可以发现，本发明提出的超高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能和孔隙结构，是一种低碳绿色的超高性能混凝土，且具有良好的安全性，且能通过预制的方式用于商品混凝土行业中，对地聚物混凝土的推广具有重要意义。
上面结合具体实施例对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，其特征在于，由固体预拌料和液体添加料组成；
固体预拌料按质量份由以下组分组成：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-190份、纤维75-82份；
液体添加料按质量份由以下组分组成：拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份；
所述改性二氧化硅颗粒的制备方法如下：
S1、在1000ml去离子水中加入20g十六烷基三甲氧基硅烷，将溶液加热至85℃，将加热后的溶液倒入搅拌机中搅拌3-5min，得到A溶液；
S2、将700-800g二氧化硅颗粒加入到A溶液中，持续搅拌15-20min，然后放置30-35min，得到B溶液；
S3、使用过滤网收集B溶液中的二氧化硅颗粒，并将收集到的二氧化硅颗粒在110℃条件下干燥23-25h，得到改性二氧化硅颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述矿渣粉为S95或S105级矿渣粉；所述硅粉的比表面积不小于1800 m2/kg；所述氧化钙的规格为分析纯，其性状为白色粉末；所述甲酸钙为白色粉末；所述石英砂的粒径分布范围为0.15-2.35mm；所述石英粉为白色粉末，其粒径范围为90-120μm；所述纤维为镀铜钢纤维，直径为0.15-0.25mm，长度为10-20mm，抗拉强度不低于1900MPa。
3.根据权利要求1所述的一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述改性二氧化硅颗粒通过对二氧化硅颗粒进行改性得到，其中二氧化硅颗粒的比表面积为16000-17000 m2/kg。
4.根据权利要求1所述的一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土，其特征在于，所述石墨烯纳米片溶液的制备方法如下：
将9 g石墨烯纳米片溶于450ml水中，并用搅拌机在水中搅拌4-5min，然后使用超声波探头对溶液进行20-22min的超声波处理，得到石墨烯纳米片溶液。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种无水泥可预拌的绿色超高性能混凝土的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
P1、按质量份称取固体预拌料和液体添加料的原料成分：矿渣粉780-810份、氧化钙39-43份、甲酸钙25-30份、硅粉310-340份、改性二氧化硅颗粒90-100份、石英砂610-620份、石英粉180-200份、纤维75-82份、拌合水148-152份、减水剂50-53份、石墨烯纳米片溶液1.8-2.2份；
P2、将固体预拌料的原料成分加入到搅拌机中混合均匀，搅拌时长为5-6min，得到固体预拌料；
P3、将液体添加料的原料成分倒入到容器中混合均匀，搅拌时长为2-3min，得到液体添加料；
P4、在混合均匀的固体预拌料中加入混合后的液体添加料，继续搅拌，搅拌时长为15-20分钟，得到新拌混凝土；
P5、将得到的新拌混凝土倒入模具中进行固化养护，在温度为23℃和湿度为99%的条件下固化24h；脱模后，在95℃下蒸汽养护48h，即可得到固化的超高性能混凝土。
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